VV变频调压系统 .doc

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1、课程设计用纸摘要 本文设计的变压变频(vvvf)调速系统主电路由整流、滤波和逆变电路3大部分构成。控制电路主要由控制电源和以sa866为核心的spwm波形发生及驱动电路构成。控制电源采用7805和7815提供直流稳压电源。变频调速技术中最重要的是产生spwm脉冲，通常产生spwm控制信号的方法有：采用微处理机，采用专用大规模集成电路，采用微处理机和专用大规模集成电路相结合的方法。 关键字：VVVF;变压变频;电动机;调速系统目录一 设计目的及意义 3二 工作原理与设计方案 4 2.1 变频调速系统控制原理 4 2.2 参数设定与计算 6三 硬件设计 9 3.1 调速系统组成 9 3.2 变频控

2、制电路 9 四 软件设计 11 4.1系统流程图 11 4.2系统仿真 12 五 结束语 15参考文献 17 一 设计目的与意义 进行基础技能训练，例如组成系统，编程，调试，绘图等，使学生理论联系实际，提高动手能力和分析问题，解决问题的能力,绘制主电路原理图和程序流程图,完成课程设计论文,并进行仿真。 通过课程设计，熟悉运动控制系统应用系统的开发，研制的过程，软硬件的设计工作方法，工作内容，工作步骤；训练正确地应用运动控制系统，培养解决工业控制，工业检测等领域具体问题的能力。二 工作原理与设计方案 2.1变频调速系统控制原理 控制电路主要由控制电源和以sa866为核心的spwm波形发生及驱动电

3、路构成。控制电源采用7805和7815提供直流稳压电源。 sa866有6种工作模式，可以变频变幅，也可以定频变幅；采用双缘调制技术，脉冲产生精确，工作频率范围很宽，时钟频率为25mhz时，载波频率达24khz，输出频率可达4khz。它还可以提供两种v/f曲线，即恒转矩的v/f曲线和负补偿的v/f曲线，而后者就是针对风机类负载专门设计的。 所有可编程参数都存储在eeprom中，并在reset信号后自动装入sa866中。一片eeprom可同时存放四页参数，改变pageo、page1的电平就可决定采用哪一页参数。由于pageo、page1均有内部拉高电阻，所以默认情况下sa866采用第3页的参数。所

4、有可编程参数在各页上的相对位置都一样。异步电机的VVVF（变压变频）调速系统一般简称变频调速系统。由于在变频调速时转差功率不变，在各种异步电动机调速系统中效率最高，同时性能也最好，故是交流调速的主要发展方向。 (1)交流调速系统的基本控制量是转矩、速度、位置三个物理量，按不同的用途和控制对象可以构成转矩、速度、位置由内向外的闭环系统。其中转矩控制是最基本的控制，它在控制环的最内侧，显示了转矩控制环的重要性。转矩控制可以转化为电流控制，交流电动机可以快速电流响应，因此转矩控制的响应比直流电动机更快。 (2)交流调速的基本类型有变极p、变频f1和变转差s。前两者为转差功率不变型，不论其转速高低，转

5、差功率消耗基本不变，调速效率为最高，因此变频调速成为当今交流调速的主流。 (3)在变频调速中有U11、E11、Er1三种恒值控制。E11恒值控制的机械特性线性段范围要比U11恒值控制的宽。通过低频定子电压补偿可以提高转矩输出特性，实现E/C01控制方法。E11恒值控制的机械特性为一条直线，与直流电动机机械特性完全相同，采用异步电机矢量控制可以实现Er1控制。 (4)在VVVF控制时，电压频率协调控制是变频调速的控制原则，否则会使异步电动机特性变坏。VVVF控制是开环调速系统。 (5)转差频率控制是一种速度反馈的闭环控制。在电动机正常运行范围内，能满足转差频率控制规律，即电磁转矩Te与转差频率成

6、正比，定子电流I1随转差频率s的增加而单调增加。 (6)通用变频器是交流电动机新型变频调速装置，它由主电路、检测电路和控制电路三大部分组成，主电路的基本结构为PWM电压型逆变器，检测电路主要是检测中间直流环节的电压和电流，输出端的交流电压和电流，供控制电路运算及保护电路动作之用。控制电路主要由数字信号处理DSP和专用大规模集成电路ASIC，进行数据处理和产生PWM波形。 (7)通用变频器的控制方式有开环的U1/f1控制、闭环的转差频率控制和矢量控制。 (8)变频器的过载能力的允许时间只有1min，变频器的容量选择原则是按电动机在运行中可能出现的最大工作电流来选择。 (9)变频器调速系统的功率因

7、数与电动机本身的功率因数无关。变频器主电路中间直流环节的大滤波电容是造成输入端有较大成分高次谐波的原因，它使变频器的功率因数较低。要改善变频器的功率因数，可以在输入端串交流电抗器LA或直流侧串直流电抗器Ld。 2.2 参数设定与计算(1)载波频率选择字cfs载波频率fcarr由外部时钟频率fclk和分频比n决定，其中n是选择字cfs的十进制表示。(2)调制频率范围选择字frs调制频率范围是载波频率fcarr和系数m的函数，m是frs的十进制表示，0m6；frs为三位二进制数。调制频率范围。(3)脉冲延迟(死区)时间选择字pdy脉冲延迟时间是载波频率和参数pdy的函数，如式，参数pdy是 pdy

8、字的十进制数，pdy在0到63之间，pdy为六位二进制数。(4)脉冲删除时间选择字pdt因为sa866内部脉冲删除电路在脉冲延迟电路之前，所以实际输出的最小脉宽等于tpd-tpdt，脉冲删除时间tpt由下式给出：，参数pdt由选择字pdt确定，pdt在0到127之间，pdt为七位二进制数。(5)波形选择字wssa866可以提供三种调制波形：纯正弦波、正弦波加三次谐波，带死区的三次谐波。采用三次谐波型波形可以提高输出功率，而带死区的三次谐波型波形可以降低开关损耗。表2为选择字ws定义所选用的波形。(6)波形自动转换字aws该参数定义了后两种波形之间互相转换的频率点，其中w由aws确定，在0到l5

9、之间，aws为四位二进制数。若aws=0000，则一直采用三次谐波型波形。(7)vf曲线控制字(grad、kay、fed、fc)sa866提供了两种vf曲线，恒转矩型和负补偿型，fc=0选择恒补偿型，图3为sa866提供的线性vvvf曲线。fc=1选择负补偿型。对于恒补偿型，只需确定grad和ped。转矩提升的补偿电压由ped决定，上升斜率由grad确定，grad255。由grad和fed即可确定任一频率点对应的电压幅值，。其中，f100。对于风机类负载，电压幅值由下式计算：，其中grad为8位正数，而kay为八位有符号数，最高位是符号位。(8)检查字chksumsa866在从eeprom 中

10、读人数据时会对其中的“1”计数(不包括chksum中的数据)，计数结果(二进制)的最低三位应等于chksum中的数据，否则将输出trip信号，禁止脉冲输出。 本系统应用的时钟频率为11.059mhz，载波频率11khz，调制频率范围060hz，最小脉宽3s，死区时间5s。由前边的分析，各参数的计算过程如下： （1）确定cfs由，所以n=0，cfs=000，实际的fcarr=10.8khz。(2) 确定frs2m=384*frange/fcarr=2.13，所以取m=1，frs=001，实际的frange=57.6hz。(3）确定pdy死区时间tpdy=(63-pdy)/(512*fcarr)=

11、5s，则pdy=35.4，取35，则pdy=100011，实际死区时间为5.1s。 （4）确定pdt由tpd-tpdy=3s，得tpd= tpdy+3=8.1s，又tpd=(63-pdt)/(512*fcarr)，得pdt=82.2s，则pdt=1010010。实际的最小脉宽为8.1-5.1=3s。(5)确定v/f曲线控制字因为是风机类负载，所以fc=1，又低频时不需转矩提升，则ped=0；令fbase=50hz，则它对应的f=fbase*255/frange=221；在v/f曲线上取两点，分别对应额定频率和l/2额定频率，在v/f曲线上映射，以(f，v%)格式表示为(221，100)和(11

12、0，25)，根据求幅值公式可列出方程组如下：f25=(grad*11022048+kay*110512)100255f100=(grad*22122048+kay*221512)100255解方程组得：grad=10.6，取11即grad=00001011；kay=5.3，取5，即kay=0000010l。(6)确定其余选择字波形采用正弦波加三次谐波型，所以ws=01，aws=0000；零频阀值电压为0，所以zth=00；以上所有选择字中“1”的个数为l4，所以chksum=110。 三 硬件设计3.1 调速系统组成 本文设计的变压变频(vvvf)调速系统主电路由整流、滤波和逆变电路3大部分构

13、成。逆变器选用三菱公司的ps21865功率模块ipm，该模块内部有6只igbt，用于三相桥臂。其特点为：优化的门极驱动与igbt集成，使得电路布局合理，无外部驱动线，体积小，抗干扰能力强。ipm内选用的igbt芯片均为高速型；ipm内部的igbt导通压降低，功耗小；ipm有快速的过流保护，可以实时检测igbt电流，当发生严重过载或直接短路时，igbt将被软关断，同时送出一个故障信号；ipm有良好的过热保护，在靠近igbt的绝缘基板上安装了温度传感器，当基板过热时，ipm内部控制电路将截止栅极驱动，不响应输入控制信号。因此当故障发生时(如过压、过流、过温)，其输出端将变为低电平，封锁内部6只ig

14、bt管，同时送出故障信号fo，它与sa866的settrip端相连。当ipm故障报警时，信号fo快速向sa866发出保护高电平，快速切断spwm的控制信号通道，关断ipm，实现了保护功能。 图3.1 调速系统主电路图3.2变频控制电路 ipm的脉冲信号由三相脉宽调制器sa866控制。sa866是专为感应电机的pwm控制而设计的一款集成电路。它除了能产生合乎要求的pwm脉冲外，还集成了完备的过流、过压保护功能，并可在紧急情况(如短路、过热)时快速关断pwm脉冲，以保护逆变器和电机。它的最大特点是可以独立运行，无需微处理器。其输出频率以及加速、减速的快慢都可由外接电位器在线连续调节。所有需定义的参

15、数如载波频率、死区时间、最小脉宽、调制波形、vf曲线等均存储在外接的eeprom中。eeprom选用at93lc46，clk为时钟信号输入端，di为数据输入端，do为数据输出端，cs为片选，分别与sa866ae的scl、sda和cs引脚相连。系统在上电或复位后，通过串行口自动下载，从eeprom将参数字读人sa866，并依据所设定的参数字产生相应脉冲波形，以控制主电路中模块的开或关。sa866的page0、page1用来选择存储器93lc46的4个页面数据。eeprom的存储地址共分为4页，每页都是4x16位字，均可设置一套完整的初始化参数。 在sa866的spwm信号与ipm ps21865

16、门极驱动之间设置了光电隔离电路，采用高速光耦6n137，实现信号的驱动和电气隔离 图3.2 变频改造结构示意图 四 软件设计 4.1系统流程图图4.1 系统总流程图 图4.2 系统流程图 4.2系统仿真 一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态1。为实现在约束条件快速起动，关键是要有一 个使电流保持在最大值的恒流过程。根据反馈控制规律，要控制某个量，就要引入这个量的负反馈。因此很自然地想到要采用电流负反馈控制过程。这里实际提到了两个控制阶段。

17、起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。如何才能做到使电流、转速两种负反馈在不同的控制阶段发挥作用呢？答案是采用转速、电流双闭环控制系统。如图4.3所示。图4.3 双闭环直流调速控制系统原理图 参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以得到双闭环系统的动态结构图。如图4.4所示。图4.4双闭环直流调速系统动态结构图 在转速环、电流环的反馈通道和输入端增加了转速滤波、电流滤波和给定滤波环节。因为电流检测信号中常含有交流成分，须加低通滤波，其滤波时间常数按需要而定。滤波环节可以抑制检测

18、信号中的交流分量，但同时也个反馈检测信号带来延迟。所以在给定信号通道中加入一个给定滤波环节，使给定信号与反馈信号同步，并可使设计简化。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，其时间常数用表示2。 基于电气原理图的双闭环直流调速控制系统仿真模型如图4.5所示。仿真算法为ode23s，Start time设为0，Stop time设为2。仿真波形如图4.6所示。 图4.5直流电动机双闭环控制系统的电气原理仿真模型 图4.6直流电动机双闭环控制系统仿真波形 五 结束语 通过这次实习,我们在设计系统时要有一个清晰的思路和一个完整的的软件流程图；在设计系统时，不能妄想一次就将整

19、个系统设计好，反复修改、不断改进是系统设计的必经之路；一个系统的完美与否不仅仅是实现功能，而应该让人一看就能明白你的思路，这样也为资料的保存和交流提供了方便；在实习过程中遇到问题是很正常的，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题。在实习过程中,我也遇到了很多问题，第一、不够细心,由于对课本理论的不熟悉导致系统出现错误。第二，是在学习态度上，这次课设是对我的学习态度的一次检验。对于这次综合课程实习，我的第一大心得体会就是作为一名工程技术人员，要求具备的首要素质绝对应该是严谨。我们这次实习所遇到的多半问题多数都是由于我们不够严谨。第三，在做人上，我认识到，无论做什

20、么事情，只要你足够坚强，有足够的毅力与决心，有足够的挑战困难的勇气，就没有什么办不到的。最后，我从中学到的知识会让我受益终身。发现、提出、分析、解决问题和实践能力提高都会受益于我在以后的学习、工作和生活中。经过了几个星期的课程设计，让我感触万分，一开始当我拿到题目时，是一手的不知所处。其中，包含了许多辛酸和快乐，同时还有老师同学们的帮助和我们本组同学之间的努力才完成了本次设计。经过了老师的一番分析之后，我们觉得无从下手。那时候我们组的成员有点心灰意冷的感觉，但经过老师的指导和同学的帮助，我们又重新拾起了信心，各个都有了干劲。查书上的资料，上网搜索，向老师请教等等，我们虽然很忙，但是我们乐在其中

21、。通过这次课程设计，让我们在实践动手能力，对单片机的操作方面都有了进一步的提高。还有设计期间，我们组的成员团结合作，互相帮助，共同努力，最终完成了预期的任务。同时，也少不了老师们的帮助和教导。最后再次感谢老师的细心指导。 六 参考文献1 黄立培 .变频器应用技术及电动机调速. 人民邮电出社. 1997.72 刘载之 .电梯控制系统.电子工业出版社19933 章小丽 .交流电梯调速系统.电子工业出版社 20014 王宏伟,梁晖. 基于dsp控制的小功率异步电机变频调速系统j. 电力电子技术,2005(6).5 林平,胡长生,刘晨阳等. 三相pwm波形发生器sa866ae原理及应用j. 电力电子技

22、术,2000(4).6 姜立东.VHDL语言程序设计及应用.北京邮电大学出版社，2001 7 沉龙大. 21世纪变频调速技术展望. 自动化博览.8 孙强，周永明.IGBT缓冲电路设计.电工技术 2002.129 原魁, 李伟强编着. 变频器基础及应用. 冶金工业出版社. 199710 周志敏,周纪海,纪爱华.变频电源实用技术m. 北京:中国电力出版社,200511 刘凤君. 现代逆变技术及应用m. 北京:电子工业出版社,200612 毛明,黄念慈,赵利华. 新型pwm产生器sa866及其在通用变频器上的应用j. 电源技术应用,2001(4).13 王正仕 .一种IGBT的实用驱动电路. 电气传

23、动.1999.6.5414 张友得，赵志英.单片机原理、应用.复旦大学出版社.2000.615 黄俊，王兆安编. 电力电子变流技术. 机械工业出版社. 1999.516 李景华. 可编程逻辑器件应用.东北大学出版社，200117 黄刚. 大力发展变频调速技术产业. 电子与自动化. 1997.2教师批阅： 教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅： 教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：教师批阅：43